2节微生物的遗传变异.ppt

1,第七章 微生物的生长和遗传变异第二节 微生物的遗传,遗传的物质基础及其存在形式遗传物质的复制遗传信息的传递和表达基因表达的调控,2,遗传性（heredity）：亲代性状在子代重现，使其子代的性状与亲代基本上一致的现象同其他生物一样，微生物有其固有的遗传性微生物的遗传是在系统发育过程中形成的，系统发育愈久的微生物，其遗传的保守程度愈大，为什么？老龄菌遗传保守程度比幼龄菌大，高等生物遗传保守程度比低等生物大一、遗传的基本概念,3,二、遗传的物质基础及其存在形式,遗传的物质基础 一切生物遗传的物质基础是核酸（DNA） 核酸的结构：双螺旋结构,2. 遗传物质在细胞内存在部位和方式,（1）细胞水平染色体DNA集中在核质体中真核微生物：细胞核）杆菌细胞内大多存在两个核质体，而球菌一般只有一个4,（2）细胞核水平,原核微生物：无核膜包裹，呈松散无定型状态，核基团 不与蛋白质结合真核微生物：有核膜，DNA与蛋白质结合，形成染色体（chromosome）核外DNA（能自主复制）：广义上讲称质粒（plasmid）,5,（3）染色体水平,原核微生物：每一个核质体中通常只有一个裸露的、在光学显微镜下无法看到的环状染色体。

真核微生物：往往有多个线性的染色体，种间差异大 酵母菌属（saccharomycs）17个染色体的套数：只有一套相同功能的染色体时称之为 单倍体，有两套时称双倍体4）核酸水平,绝大多数的微生物的遗传物质为DNA，只有部分病毒才是RNA6,,（5）基因水平（功能和遗传单位）,基因："a locatable region of genomic sequence, corresponding to a unit of inheritance, which is associated with regulatory regions, transcribed regions, and or other functional sequence regions ",Promoter：启动子Enhancer：增强子Attenuator：减弱子Exon：外显子Intron：内含子Transcription：转录Splicing：剪接UTR：非翻译区Translation：翻译ORF：开放阅读框架,,一个基因,典型的真核生物基因结构,7,,,典型的原核生物基因结构（操纵子，operon）,promoter,operator,CR 1,CR 2,CR 3,Operator：操作子 CR：coding region，编码区,,,,8,,遗传密码：DNA上各个核苷酸的特定排列顺序。

每个密码子有3个核苷酸顺序来决定7）核苷酸水平,核苷酸,（6）密码水平（信息单位）,（最低交换单位、突变单位）,9,质粒（plasmid）,定义：游离于染色体外，具有独立复制能力的小型共价闭合环状DNA分子，即cccDNA (circular covalently closed DNA)，多存在于原核生物结构：具有超级螺旋结构，分子量106－108道尔顿(660D/bp，1.5k-200kbp),BAC，Bacmid，YAC ……,10,,11,质粒的基本特性：,可移动性：异种间转移Genther F. J.(1998): 69种环境中的细菌中，38％能从实验室的细菌接受质粒可整合性：可整合到染色体上可重组性可消除性,12,20世纪50年代在日本发现的一种质粒（从患痢疾且被抗生素治疗后的病人中分离出的痢疾志贺氏菌株，具有抗药性，而且能把抗药性转移到E.coli1）R因子－R质粒,R因子在细胞中的数目1~2—几十个 对多种抗生素有抗性，也可作为基因载体 具有R因子的细菌在自然界中的存活率高13,2）F因子（Fertility factor）/致育因子、性因子,是E.coli中决定性别的质粒。

62×106Da，94.5kbp,,特点：有时能够插入染色体，使染色体的长度增长14,3）降解性质粒,二甲苯质粒：XYL（Xylene）辛烷质粒：OCT（Octane）甲苯质粒：TOL（Toluene）萘质粒：NAP（Napthalene）樟脑质粒：CAM（Camphor）水杨酸质粒：SAL（Salicylate）,在环保中有重要的意义：超级工程菌的获得含有能降解复杂物质的基因，从而使细菌能降解难降解有机物大多在假单胞菌属中发现至今发现的主要降解质粒（以其所能分解的底物命名）,15,4. 细胞器DNA,真核微生物中，染色体之外的遗传物质的另一种存在形式与其他物质一起构成细胞器（如：叶绿体、线粒体等）主要特性：,－结构复杂多样－功能不一－数目多少不一－自我复制－可消除性（一旦消失，后代细胞中不再出现）,细胞器的起源？,16,,5. 转座因子,可在染色体不同部位之间移动的DNA片断插入序列：能插入染色体或质粒的许多位点，并能改换位点转座子：能插入染色体或质粒的不同位点的一般DNA序列，可以转移到不同的位点上，本身也可复制大小位几个kbClass I: copy and pasteClass II: cut and paste,17,第七章 微生物的生长和遗传变异第三节 微生物的变异,基因突变基因重组,18,变异：任何一种生物，亲代和子代之间在生理、形态方面都有一定的差异，这种现象叫变异（个体形态、菌落形态、生理生化特性、代谢产物）,一、变异的基本概念,19,细菌易变异：,∵细菌繁殖快，又与外界环境接触面积大∴环境条件在短时期内对菌体产生大的影响，在受物理、化学因素影响后，易产生适应新环境的酶（诱导酶）等，从而改变原有的特性，即产生了变异。

形态变异菌落形态变异生理生化特性变异,20,有目的地控制微生物的生长条件，使其向人类需要的方向变异在污水生物处理中称为驯化（acclimation、adaption）,有毒有害废水、难降解废水处理：通过驯化，增强微生物的降解能力，提高处理效果定向培育：,21,二、基因变异,定义：微生物的遗传性状变化称变异,基因突变（自发突变）,定义：DNA链上因碱基的缺乏、置换、插入而发生的碱基排列顺序的变化，从而导致表现型发生了可遗传的变化，这种现象叫基因突变（变异）基因突变的类型,22,点变异：一个或数个碱基发生变化,23,畸 变：碱基片断发生变化,24,细菌基因突变的特点,无定向性（不对应性） 稀有性：频率低 10－5～10－10 自发性 独立性：各细胞、基因间的变异没有必要的联系 稳定性：可遗传 可逆性：回复突变（back/reverse mutation） 诱变性：诱变剂可大大提高突变率（10－105倍）,自发突变、诱发突变（诱变） 诱变剂（mutagen）：亚硝酸、紫外线,25,2、基因重组,定义：凡把两个不同基因型的遗传分子转移到一起，通过遗传分子之间的交换组合，产生新的遗传性状（基因型），称基因重组。

重组的方式：转化、接合、转导,26,1）转化（transformation）供体的DNA片段（可在自然条件下产生）进入受体细胞内发生重组，受体细胞获得供体细胞的一部分遗传特性无需细胞接触细菌、放线菌、真菌中有转化现象27,质粒转化是基因工程中最常用的人工DNA转化28,F因子、降解性质粒可通过此形式传递2）接合（conjugation ) 细胞直接接触而进行的基因重组 大肠杆菌的接合是通过性纤毛（中空）进行的29,30,31,如何筛选，如何稳定工程菌？,Hfr（high frequency recombination，高频重组）菌株,32,3）转导（transduction）,通过噬菌体（病毒）携带而转移的基因重组，无需供体-受体细胞接触在自然界中比较普遍a. 完全转导(complete transduction),33,b. 局部转导(specialized transduction),由部分缺陷的噬菌体把少数特定的基因携带到受体菌中，并获得转导的现象温和噬菌体）,4）原生质体融合（protoplast fusion）,通过人为的方法使两个遗传性状不同的细胞的原生质体发生融合，得到同时具有双亲性状的、遗传稳定的融合子（fusion），该过程称原生质体融合。

20世纪70年代）,34,特点：1）重组频率>10-1.（远远大于诱变育种，~10-6） 2）不同属、科间亦可融合35,36,第七章 微生物的生长和遗传变异第四节 遗传工程,基因工程遗传工程及其在环境污染控制中的应用,37,一、基因工程（Genetic engineering）,20世纪50年代——遗传物质的研究20世纪70年代——基因工程诞生,1. 定义：,用人为的方法把供体生物的DNA导入受体生物中，并在其中“安家落户”，进行正常的复制、表达，从而获得新物种的一种育种技术是一种分子水平上的基因重组技术38,①用人为的方法，把供体生物的DNA大分子提取出来； ②在离体的条件下，用工具酶进行切割；③之后把它与载体（vector）的DNA分子连接起来；④然后与载体一起导入受体生物方法？）,2. 利用质粒载体导入外源基因的步骤：,39,具有自我复制能力； 能在受体细胞内大量增殖或表达目的基因； 要有一些限制性内切酶的切口（MCS）； 有一种选择性遗传标志，以便追踪常用载体：细菌质粒、噬菌体最常用：PBR322（抗四环素、青霉素性基因） 表达抗药性可以用选择性培养基检出它们。

40,重组载体引入受体细胞,最广泛被应用的是E.coli、Bacillus subtilis（枯草杆菌）引入方法,转化（质粒作载体）病毒感染,基因的体外重组,内切酶处理,两者混合在指定温度下混合“退火”；,目的基因缝补上载体的缺口（动力:氢键作用而相互吸引并形成共价结合)41,42,3. 基因工程在环境保护中的应用,工业上：高性能发酵微生物的育种、酶、抗生素的生产农业上：,固氮菌的基因转移到根系微生物或直接给植物； 把降解木质素分解酶的基因转移导酵母菌使之 能利用稻草、 枯杆等生产酒精； 改良农作物医疗上：遗传病的治疗等43,几点注意：,基因工程的成果往往只是一株带有新性状的“工程菌”，只有通过微生物工程才能实现它的 经济与社会效益DNA供体主要来源于微生物基因工程菌存在的问题：,安全性 混合培养系中的生存性 降解能力的安定性 大规模培养技术,44,第七章 微生物的生长和遗传变异第五节 微生物的驯化与保藏,微生物的驯化微生物的保藏与复壮,45,一、微生物的驯化,,污染物的生物降解曲线（生物降解过程中污染物浓度随时间的变化）,微生物的“驯化”现象“驯化”是获得高效微生物（群）的有效方法,46,1. 驯化的定义(Acclimation, adaptation),一般：获得新的能力的过程 （新的分解能力、抗有毒物质能力）,狭义：获得新的降解能力的过程,使微生物接触待分解的化合物，给予适宜的营养和环境条件，进行培养。

驯化操作：,47,驯化周期（时间）：,,污染物降解曲线,建议：从驯化开始到降解能力达到最大时所需的时间一般指从驯化操作开始到获得新的降解能力所需要的时间48,2. 驯化的机理,生物降解的必要条件：,驯化：从不能满足以上三个条件，到满足三个条件的过程∴驯化机理：,①获得所需的基因（变异、基因重组）②降解酶的诱导或抑制作用的解除,。